多膜片液壓脈動衰減器衰減特性研究

熊宇維，龍 波

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，湖南長沙，410208；2.中聯(lián)重科，湖南 長沙，410000）

引言

液壓傳動技術(shù)由于其重量輕、工作穩(wěn)定等優(yōu)點而得到了廣泛應用；并且液壓傳動與電氣傳動相比，液壓傳動還具有制動迅速，可實現(xiàn)無級調(diào)速的優(yōu)點[1]。但是隨著液壓技術(shù)向高速、高壓和大功率方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)中的振動與噪聲已成為了妨礙液壓技術(shù)進步的重要因素之一[2]。因此，研究消除液壓系統(tǒng)中振動的方法對液壓技術(shù)的發(fā)展具有十分重大的意義。

國內(nèi)外在液壓系統(tǒng)振動衰減方法的研究重點非常廣泛，其中采用脈動衰減器對液壓管路中的脈沖、振動進行濾波和吸收是研究方向之一。2001年，奧地利林茨約翰開普勒大學設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)振動式液壓系統(tǒng)壓力脈動衰減器[3]。該脈動衰減器是在液壓系統(tǒng)的管路中旁接一個容腔，容腔中設(shè)置一個活塞式振動質(zhì)量塊。其作用機理類似于有阻尼的振動吸振器，通過共振容腔中活塞、彈簧和油液環(huán)境形成一個單自由度機械振動系統(tǒng)，當附加“質(zhì)量-彈簧”系統(tǒng)的固有頻率與激勵力頻率相同時，產(chǎn)生反共振現(xiàn)象，從而消除主系統(tǒng)的振動。但該脈沖衰減器衰減液壓振動的頻率單一，無法適用多頻的脈沖衰減。

如果能設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、靈巧的多自由度機械諧振機構(gòu)，在較寬頻率范圍內(nèi)的流體脈動都可以對應與之諧振的吸振系統(tǒng)，將流體脈動最大限度地轉(zhuǎn)換成機械振動，再通過內(nèi)部阻尼消耗振動能量，則可獲得廣譜高效的流體脈動抑制效果，其應用工況將大大拓寬。

為此，需要研究彈性膜片結(jié)構(gòu)的濾波特性，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊的多膜片液壓脈動衰減器。通過不同長度規(guī)格的膜片的“質(zhì)量-彈簧”結(jié)構(gòu)形成不同濾波頻率的液壓脈沖吸振系統(tǒng)，適用多個脈沖頻率的液壓振動，從而實現(xiàn)多頻濾波。

1 衰減特性分析方法

在液壓系統(tǒng)中有多種影響著流體脈動衰減的濾波特性，其中不同原理的衰減器和結(jié)構(gòu)尺寸的改變對衰減特性的影響尤為突出。而如何評價一款衰減器性能的好壞，現(xiàn)在還沒有具體統(tǒng)一的標準，而目前常用的方法有：壓力脈動衰減率法、脈動衰減率法、插入損失法以及傳遞損失法[4-6]。

壓力脈動衰減率法只能夠反映衰減器前的衰減特性，而不能夠反映衰減器負載端的衰減特性。傳遞損失法只反映了脈動衰減器安裝前和安裝后的壓力脈動，所以用這個方法只能得到衰減器本身的傳遞效果，在理論分析中常用到該方法。而插入損失法IL 快速直觀地反映了衰減器在液壓系統(tǒng)中的衰減效果，不僅將衰減器在整個系統(tǒng)的作用考慮進來，同時也考慮了其他方面的因素如源阻抗、系統(tǒng)的負載阻抗等，所以一般情況下通常采用插入損失法來對脈動衰減器的衰減效果進行判斷。

插入損失是在液壓系統(tǒng)中距液壓泵一定距離的同一測量點處，測量安裝了脈動衰減器前后聲壓級之差，則壓力脈動衰減分貝值D 為在同一負載端測量了未安裝脈動衰減器的壓力脈動與已安裝脈動衰減器的壓力脈動之比，即：

2 多膜片液壓脈動衰減器衰減特性分析

多膜片脈動衰減器的工作原理是通過多膜片與壓力脈動產(chǎn)生共振來抑制液壓系統(tǒng)中的振動，同時多膜片液壓脈動衰減器的容腔具有一定的體積，因此可將多膜片脈動衰減器模型主要看成是由直管道、管道容腔等單元構(gòu)成。采用頻率法中的分布參數(shù)法來分析多膜片液壓脈動衰減器的衰減性能。由文獻[7]可知直管道A 和管道容腔B 的傳遞矩陣分別為：

在多膜片液壓脈動衰減器中膜片是由多個膜片并聯(lián)而成，根據(jù)單個膜片在壓力脈動P 下的振動位移推導出它的傳遞矩陣[8-9]為：

為了分析多薄板液壓脈沖衰減器的衰減特性，將安裝了多膜片液壓脈動衰減器的液壓系統(tǒng)簡化為圖1，采用插入損失來仿真計算動態(tài)阻抗分別在直管道+節(jié)流負載和直管道時的衰減特性。

圖1 液壓系統(tǒng)管道負載結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中，A、B 段分別是長度為L1、L2 的鋼直管，C 部分是安裝的多膜片液壓脈動衰減器，D 部分為終端動態(tài)阻抗，即“長度L4 的鋼直管+ 節(jié)流負載”。分別為安裝了脈動衰減器時泵出口處的壓力脈動和流量脈動分別為經(jīng)過了脈動衰減器后的壓力脈動和流量脈動，它的傳遞矩陣則為：

設(shè)：

由基本管道動特性可知節(jié)流孔阻抗表達式為：

因此壓力脈動衰減器的負載導納為：

則有：

設(shè)：

則有：

采用以插入損失法為基礎(chǔ)的壓力脈動衰減分貝數(shù)來對液壓系統(tǒng)壓力脈動衰減器的衰減特性進行評價。計算公式為：

因此：

按照上述插入損失法，對固定多個矩形彈性膜片的脈動衰減器，負載為鋼直管 節(jié)流負載的情況下進行衰減特性分析，取薄板大小分別為10×30mm、10×23mm、10×20mm、10×15mm，厚度均為0.05mm，上述脈動衰減器仿真性能公式中需要用的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對多膜片液壓脈動衰減器性能的影響

對脈動衰減器性能的影響有很多因素，而其中主要有膜片大小、厚度，共振容腔的體積。為了使脈動衰減器設(shè)計時選擇的參數(shù)更加合理，將在負載為直管道 節(jié)流負載的情況下結(jié)合這些參數(shù)的改變，得出其變化對衰減效果的影響，為接下來的樣機設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

3.1 膜片的厚度對脈動衰減器性能的影響

圖2 不同厚度對脈動衰減器衰減特性影響

運用插入損失法，在其他參數(shù)不改變的情況下，得出厚度分別為0.05mm 和0.1mm 情況下的衰減效果，如圖2 所示。從圖中可以得出，由于薄板的厚度不一樣其相應的固有頻率也有所改變，因此產(chǎn)生的共振頻率點也不相同，但從曲線可以得出膜片較薄的衰減的效果要好。

3.2 共振容腔大小對脈動衰減器的衰減性能影響

由圖3 可知，容積V=0.2L 的衰減效果要優(yōu)于容積V=0.02L 的。但主容腔的大小對整個液壓系統(tǒng)的濾波性能的影響不大。由于衰減器的體積過大會影響整個系統(tǒng)的精度和剛度，因此在設(shè)計衰減器時，在保證具有較好的濾波效果的前提下，盡量選擇較小的共振容腔的尺寸。

圖3 不同容積對脈動衰減器衰減特性影響

4 負載及安裝位置對衰減性能的影響

上述內(nèi)容只針對液壓系統(tǒng)中動態(tài)阻抗為節(jié)流負載情況下，脈動衰減器自身結(jié)構(gòu)的改變對衰減效果的影響進行分析，并未考慮負載情況的不同、安裝位置的不一樣對衰減效果的影響，因此還需結(jié)合負載、安裝位置的改變來全面考慮脈動衰減器的濾波特性。

4.1 負載的影響

將多薄板液壓脈動衰減器模型在節(jié)流負載和不帶節(jié)流負載情況下的數(shù)學仿真分析結(jié)果進行對比，如圖4 所示。

圖4 負載對衰減特性的影響對比曲線

由圖4 可知，在動態(tài)阻抗不相同的情況下，加入了多膜片液壓脈動衰減器后都能夠有一定的衰減效果。在節(jié)流負載的情況下，多膜片脈動衰減器衰減特性曲線相對于不帶節(jié)流負載情況更加平滑，壓力脈動衰減特性的峰值較低；不帶節(jié)流負載的 脈 動 衰 減 特 性 曲 線 在120Hz，220Hz，300Hz，550Hz 等多個頻率點左右具有較大的尖峰，但帶有節(jié)流負載的脈動衰減特性曲線在各頻率處的尖峰均有所削弱，特別是不帶節(jié)流負載的模型的脈動衰減特性曲線在70Hz 和880Hz 處的壓力脈動的存在放大現(xiàn)象，但帶有節(jié)流負載的模型其衰減特性曲線得到了明顯的改善。

在系統(tǒng)流量恒定的情況下，節(jié)流負載的壓力損失大小對系統(tǒng)的壓力值有一定的影響，因此分析節(jié)流負載大小對脈動衰減器的衰減特性影響的是必要的。在系統(tǒng)其他參數(shù)均一致的情況下，節(jié)流閥壓力差分別為2.5MPa 和7MPa 的衰減特性，通過數(shù)學仿真得到的不同頻率點的脈動衰減分貝數(shù)進行曲線擬合，得到在不同節(jié)流壓差的情況下的衰減特性對比曲線如圖5 所示。

圖5 不同節(jié)流壓差的衰減特性曲線對比

由圖5 可知，節(jié)流壓差的大小對脈動衰減器的衰減特性的影響比較顯著。節(jié)流壓差小也就是壓力損失較小，400Hz 以上的中頻段壓力脈動衰減效果比較好，但在100-300Hz 的低頻部分的衰減效果有削弱的現(xiàn)象，有些頻段甚至出現(xiàn)了壓力脈動放大的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計脈動衰減器時應注意節(jié)流壓差的大小，這將會影響脈動衰減器的衰減效果。

4.2 安裝位置的影響

（1）脈動衰減器前直管道L1 長度的影響

在仿生式液壓脈動衰減器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一樣，但前直管道L1 長度分為0.175m 和1.75m，即仿生式液壓脈動衰減器與液壓脈動源的距離，仿真曲線對比如圖6 所示。

由圖6 可知，不同長度的前直管道對脈動衰減器的衰減效果的影響很顯著。前直管為0.175m的衰減特性曲線中有5 個波峰和2 個波谷，而前直管道為1.75m 的衰減特性曲線中，其波峰明顯增多，并在某些頻段其衰減效果要優(yōu)于前直管為0.175m 的。但是過長的前直管，將會引起設(shè)計頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)過多的衰減特性峰值，不能夠準確的控制和分析該脈動衰減器的衰減特性，并且在這部分過長的前直管道中，管道中的壓力脈動不能得到合理控制。

圖6 不同長度的前直管道衰減特性對比

（2）后直管長度的影響

仿生式液壓脈動衰減器的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，但是其后直管道參數(shù)分別為0.7m 和3.0m，即仿生式液壓脈動衰減器與節(jié)流閥之間的直管道（L2+L4），其仿真曲線對比如圖7 所示：

圖7 不同長度的后直管道衰減特性對比

由圖7 可知，改變后直管的長度，其衰減特性效果并不顯著，衰減特性曲線的走勢都沒有明顯的變化，并且在衰減波峰點都未改變，只是在900Hz 處衰減分貝數(shù)在兩曲線之間有比較大的波動。

5 結(jié)論

本文運用插入損失法對多膜片脈沖衰減器進行衰減特性分析，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)、負載及安裝位置對衰減性能的影響。結(jié)論如下：

（1）分析了多膜片液壓脈動衰減器中的薄板的厚度、容腔大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)大小對衰減特性的影響，得出厚度較薄的薄板的衰減效果要比較厚的好，而容腔的大小對衰減效果并不很明顯。

（2）仿真分析在不同負載的情況下濾波特性的變化，得出在有負載的情況下，其衰減器效果要好，不同的節(jié)流壓差對衰減特性的影響也比較明顯。

（3）通過改變脈動衰減器的安裝位置，得出不同長度的前直管道大小對衰減效果的影響比較明顯，而后直管長度對衰減特性的影響不明顯。